检测与传感技术 教学课件 作者 冯柏群 祁和义 (第6章)磁电式传感器.ppt

第6章 磁电式传感器 6.1 磁电感应式传感器 6.1.1 工作原理 N匝线圈在磁场中作切割磁力线运动或线圈所在磁场的磁通发生变化时，线圈中所产生的感应电动势?为 当线圈垂直于磁场方向运动时，若以线圈相对磁场运动的速度V或角速度?表示，则上式可写成 在传感器中，当结构参数确定后，B、L、N、S均为定值，因此感应电动势?与V（或?）成正比。 1．恒磁通式传感器 在测量过程中，传感器的线圈部分相对于永磁体位置发生变化而实现测量，线圈3与软弹簧片2固定在一起，永磁体4与传感器壳体5固定在一起。当把传感器与被测振动物体绑定在一起，壳体便随着振动物体一起振动。 当被测振动物体的振动频率足够高时，运动部件会由于惯性很大而来不及与物体一起振动，几乎静止不动，于是永磁体与线圈之间的相对运动速度近似于振动物体的振动速度，这样一来，线圈与磁体的相对运动使线圈中产生感应电动势。 2．变磁通式传感器 变磁通式传感器主要是通过改变磁路的磁通大小来进行测量的。1是被测旋转轴，齿形铁芯2与软铁4相对，3是线圈，永磁体5通过软铁4与2构成磁路。被测旋转体转动时，齿轮凸凹部分与软铁间的间隙大小不断发生变化，从而使线圈中的磁通不断变化，线圈中则产生感应电动势信号。 6.1.2 测量电路 磁电式传感器可以直接输出感应电动势信号，磁电式传感器只适用于动态测量，可直接测量振动物体的速度或旋转体的角速度。如果在测量电路中接入积分电路或微分电路，那么还可以用来测量位移或加速度。图6-3所示是磁电式传感器一般测量电路方框图。 6.1.3 应用举例 1．磁电感应式振动传感器 永久磁铁3通过铝架4和圆筒形导磁材料制成的壳体7固定在一起，形成磁路系统，壳体还起屏蔽作用。右气隙中放有工作线圈6，左气隙中放有用铜或铝制成的圆环形阻尼器2，工作线圈和圆环形阻尼器用同心轴5连接在一起组成质量块，用圆形弹簧片1和8支承在壳体上。 使用时，将传感器固定在被测振动体上，永久磁铁、铝架、壳体一起随被测体振动，由于质量块的惯性，产生惯性力，当振动频率远大于传感器的固有频率时，线圈在磁路系统的环形气隙中相对永久磁铁运动，以振动体的振动速度切割磁力线，产生感应电动势，通过引线9输出到测量电路。 同时良导体阻尼器也在磁路系统气隙中运动，感应产生涡流，形成系统的阻尼力，起衰减固有振动和扩展频率响应范围的作用。 2．磁电感应式转速传感器 图中齿形圆盘2与转轴1固紧。转子2和软铁4、定子5均用软铁制成，它们和永磁体3组成磁路系统。转子2和定子5的环形端面上都均匀地分布着齿和槽，两者的齿、槽数对应相等。 测量转速时，传感器的转轴1与被测物体转轴相连接，因而带动转子2转动。当转子2的齿与定子5的齿相对时，气隙最小，磁路系统中的磁通最大。而磁与槽相对时，气隙最大，磁通最小。因此当转子2转动时，磁通就周期性地变化，从而在线圈3中感应出近似正弦波的电压信号，其频率与转速成正比例关系。 3．磁电感应式扭矩传感器 在驱动源和负载之间的扭转轴的两侧安装有齿形圆盘，它们旁边装有相应的两个磁电感应式传感器。它由永久磁铁、线圈和铁芯组成。 永久磁铁产生的磁通与齿形圆盘交链，当齿形圆盘旋转时，圆盘齿凸凹引起磁路气隙的变化，于是磁通量也发生变化，在线圈中产生出交流电压，其频率等于圆盘上齿数与转速的乘积。 （6-4） 当被测转轴有扭矩作用时，轴的两端产生扭角，两个传感器就输出一定附加相位差的感应电压U1和U2，这个相位差与扭角成正比。这样传感器就把扭矩引起的扭转角转换成相应变化的电信号。 6.2 霍尔式传感器 6.2.1 霍尔效应及霍尔元件 1．霍尔效应 金属或半导体薄片在磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应，该电势称为霍尔电势。 霍尔电场强度为 洛仑兹力fL的大小为 fL=eBv 该电场的电场力又阻碍电子的偏移，当电场力与洛仑兹力相等时，即 eEH=eBv 则 EH=Bv 若金属导电板单位体积内电子数为n，电子定向运动平均速度为v，则激励电流 I=nevbd，则